трассёра метод
ТРАССЁРА МЕТОД
метод изучения закономерностей явлений переноса (см. переноса процессы) в хим.-технол. процессах с помощью примесей к.-л. веществ, наз. трассёрами, которые вводят на вход или в рабочий объем аппаратов. Применение Т. м. при анализе процессов и разработке аппаратуры для их проведения позволяет выявить влияние ее масштабов (см. масштабный переход) и инженерного оформления на макроперемешивание материальных потоков, устанавливать модели их движения, оценивать и использовать в послед. расчетах процессов параметры этих моделей (см. также структура потоков).
Трассёрами (их наз. также индикаторами или метками) служат жидкие либо твердые вещества, содержащие небольшие количества красителей, солей, радиоактивные препараты и др., присутствие которых легко определяется физ. или хим. методами анализа. Применяют также т. наз. температурные метки-нагретые газы, жидкости, твердые частицы. При исследованиях движения газов к осн. потоку, напр. воздуху, добавляют Не, Ar, CO2, частицы аэрозоля (дым).
Способы постановки экспериментов с применением Т. м. определяются их задачей и особенностями исследуемого объекта (в случае проточных систем источник трассёра м. б. нестационарным или стационарным, в случае непроточных — всегда нестационарным). Ниже рассмотрены наиболее распространенные способы.
1) В поток, поступающий в проточный аппарат, вводят (импульсами, ступенчато и др.) трассёр, начальная концентрация которого с0 изменяется во времени [с0(t)]; регистрируют концентрации с трассёра в разл. точках внутри аппарата и на выходе из него [с(t)]. Зависимости с0(t) часто наз. концентрационными возмущениями на входе в аппарат, а зависимости с(t)-кривыми отклика на эти возмущения. Примеры кривых отклика на ступенчатые изменения концентрации трассёра на входе в аппарат (т. наз. кривые вымывания) показаны на рис. 1 (см. также псевдоожижение).
Рис. 1. Кривые отклика в различных точках по высоте аппарата с неподвижным зернистым слоем (здесь и далее номера кривых возрастают по мере увеличения расстояния от места ввода трассёра.
С помощью кривых отклика находят функции распределения x(т) элементов потока по временам пребывания и возрастам, используя уравнение c(t) = тc0(t — т)x(т)dт [пределы интегрирования определяются областью существования с(t)], где т-возраст, или время, прошедшее для элемента потока, который находился в аппарате с момента входа в него; x(т)dт-доля элементов потока, время пребывания (возраст) которых находится в интервале т, т + dт. Функции распределения применяют при расчетах хим.-технол. процессов. Так, если в аппарате периодич. действия происходит реакция первого порядка и во всех точках реакц. объема условия процесса одинаковы, то, зная зависимость концентрации к.-л. реагента от времени [ср(t)], можно найти концентрации этого реагента в аппарате непрерывного действия:
Для процессов переработки дискретных частиц (обжиг, сушка и др.) с помощью функций распределения x(т) находят функции распределения частиц по свойствам (состояниям). При этом исходят из условия: доля элементов потока, свойство (состояние) которых изменилось от и0 до u, равна доле элементов потока, время пребывания (возраст) которых равно времени, необходимому для перехода от состояния и0 до и.
Данный способ принято наз. способом функций отклика или способом респонстехники (в англоязычной литературе часто используют термин "RTD technique", или "Residence Time Distribution Technique").
2) Трассёр вводят стационарно в некоторую точку внутри аппарата или распределяют равномерно по его сечению. Концентрацию трассёра измеряют в разных точках по сечению и высоте аппарата. На рис. 2, а приведена зависимость с от продольной координаты l в области аппарата, расположенной ниже источника трассёра (кривая продольного, или обратного, перемешивания). Рис. 2, б иллюстрирует радиальный профиль концентрации трассёра при его точечном источнике (кривая радиального перемешивания). Данным способом, наз. способом стационарного источника, изучают продольный и поперечный перенос массы в аппаратах. Например, если устройство для ввода одного из реагентов в аппарат находится на некотором расстоянии от устройства, в которое подается др. реагент, удается выявить, где оба реагента взаимодействуют и в каких соотношениях. При необходимости установления модели структуры потоков и определения ее параметров способ стационарного источника целесообразно сочетать со способом респонстехники. Так, применительно к колонному аппарату правомерно выбрать двухпараметрич. диффузионную модель, если она хорошо описывает эксперим. кривые отклика, а также кривые радиального и обратного перемешивания.
Рис. 2. Кривые продольного (а) и радиального (б) перемешивания газа в псевдо-ожиженном слое.
3) Если система непроточна (обычно периодич. действия), трассёр вводят импульсно, как правило, за малый промежуток времени в конкретную точку или область аппарата (радиусом R) и регистрируют кривые отклика (рис. 3) в разл. точках по его объему. По истечении времени, которое наз. характерным временем перемешивания тx, текущие концентрации трассёра становятся равными его средней концентрации
по объему системы. Этот способ, наз. способом локальной респонстехники в непроточных системах, используют при изучении перемешивания на макроуровне в аппаратах с мешалками, барботажных, с псевдо-ожиженным слоем, вращающихся барабанах и т. д. Если среднее время пребывания элементов потока
способ применим также и к проточным системам.
Использование Т. м. значительно удешевляет разработку процессов и аппаратов хим. технологии, поскольку исследования обычно проводят на модельных ("холодных") аппаратах с инертными средами.
Рис. 3. Кривые отклика на импульсный ввод трассёра в аппарат с мешалкой.
Лит.: Левеншпиль О., Инженерное оформление химических процессов, пер. с англ., М., 1969; Гельперин Н.И., Пебалк В. Л., Костанян А.Е., Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности, М., 1977; Расчеты аппаратов кипящего слоя, Л., 1986; Ой-генблик А. А. [и др.], "Теоретич. основы хим. технологии", 1987, т. 21, № 6, с. 795–800.
А. А. Ойгенблик
